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GIS在水利水電工程建設中的應用與展望
水利水電工程多數較為龐大而復雜。如何采用科學有效的設計方法以提高設計效率，怎樣直觀清晰地描述復雜工程建設的施工動態過程，是提高工程設計和管理現代化水平的關鍵。因此，尋求新的技術和計算機輔助設計的方法成為必然趨勢。GIS是近年來迅速發展起來的一門地學空間數據與計算機相結合的新型空間信息技術，它把現實世界中對象的空間位置和相關屬性有機地結合起來，滿足用戶對空間信息的管理，并借助其特有的空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策。
一、GIS在水利水電工程建設中的應用綜述
將GIS應用于水利水電工程建設，以信息的數字化、直觀化、可視化為出發點，可以將復雜施工過程用動畫圖像形象地描繪出來，為全面、準確、快速地分析掌握工程施工全過程提供有力的分析工具，實現工程信息的高效應用與科學管理，以及設計成果的可視化表達，進而為決策與設計人員提供直觀形象的信息支持。這給施工組織設計與決策提供了一個科學簡便、形象直觀的可視化分析手段，有助于推動水利水電設計工作的智能化、現代化發展，極大地提高工程設計與管理的現代化水平，促進工程設計界的“設計革命”。
1.GIS應用于施工導截流三維動態可視化
采用GIS軟件系統與其他平臺結合的模式中集成模式與擴展連接模式相結合的方式來開發施工導截流三維動態可視化仿真系統。將水文實時數據庫和大壩施工實時數據庫等數據庫存放在GIS平臺的表Table 中，通過Windows的DDE技術將數據傳遞給調洪演算、日徑流模擬、導流實時風險率計算等模塊，這些模塊用VC++、VB等平臺開發16，模擬所得數據再傳回GIS平臺，以圖形、報表的形式輸出。GIS強大的數據庫管理和圖形顯示輸出能力在這種開發模式中得到了充分利用。數據在GIS平臺和VC++、VB等平臺間簡便迅速地傳遞，保證了系統開發環境的協調統一。
通過系統分解，對各子系統分別進行仿真計算和圖形建模，形成初始圖形數據庫。各子系統的圖形在GIS中以主題地圖Theme的形式分層存放，圖形有其對應的屬性Attributesof Table 與之對應，圖形與屬性信息具有一一對應的聯系。
GIS中三維可視化過程具體表現為：首先創建和組裝三維場景，接著通過三維實體建模創建三維形狀。三維實體模型可以直接由其三維形體坐標參數構建，也可由二維形體生成，其高度由形體特征的幾何屬性提供，或由表面紋理數據提取。三維實體模型再經過紋理、光照、消隱、陰影等計算顯示在三維場景中。
借助GIS強大的空間查詢能力可以方便地查詢任意時刻施工導流面貌及相應信息。具體實現途徑是：通過仿真模塊得到施工系統各方面的信息，包括主體及擋泄水建筑物幾何形體面貌及其屬性，各施工單元的開始時間、持續時間、水流幾何形狀及其屬性，由此得到各施工單元任意時刻的面貌，組合起來得到施工導流系統任意時刻的整體面貌，把它貯存在施工圖形庫中并與其一一對應的屬性數據建立聯系，通過用戶輸入的查詢時刻，查找該時刻施工圖形庫對應的記錄，激活其所對應的圖素，利用GIS的條件查詢與圖形顯示機制，顯示出該時刻施工導流場景及導流信息，如圖1所示。
2.GIS應用于地下廠房施工動態演示系統
GIS三維空間數據模型主要是表達空間目標的幾何信息和屬性信息，同時相對獨立的表達空間目標的拓撲關系。動態演示是依靠對任意時刻施工面貌的再現實現的。首先運行仿真程序得到確定方案下的洞室施工過程的信息，包括洞室開挖時間參數(持續時間、開始時間、結束時間)、進度參數、強度參數，將這些參數按工序以電子表格的形式輸出。GIS讀取這些數據并將其轉換成相應的數據庫。利用其中的時間參數，通過編程生成任一工序任意時刻的面貌Si?t (i工序t時刻的面貌)，則地下廠房系統任意時刻的整體面貌S?t =∑Si?t 。演示時通過對施工面貌數據庫的循環，逐條讀取數據庫中每條記錄的形體數據及其他的相關信息，形體數據以圖形的形式顯示在三維圖上，其他信息以文本的形式顯示在信息框中。從地下廠房施工面貌動態演示系統中可以獲得以下信息：
1 虛擬的工程環境。應用三維動畫技術，制作工程的三維模型，在計算機內虛構一個完整的工程布置，從各種各樣的視角和路徑都能看見。既能在遠處觀看工程全貌，也能就近了解細部結構。廠房、引水洞、母線洞、尾水管等建筑物結構的相互關系清晰、明了。由于GIS所特有的地形顯示功能，使得地下洞室群所處的地形地貌一目了然。
2 地下洞室在各個時刻的形象進度。在施工面貌動態演示系統有時間坐標軸，可觀察任意時刻的形象進度和對應于該時刻的地下洞室群施工面貌。
3 單項洞室開挖過程、工作面數量和開挖程序等信息。
4 洞室群施工中各單洞施工的邏輯關系。
5 施工期間任一時刻同時施工的活動。
實時演示能夠清晰地顯示單洞施工、洞群施工等時間、空間上的邏輯關系，幫助設計人員對施工方案的分析、確認。有助于信息溝通，為決策者提供信息服務。
3.GIS應用于混凝土壩施工全過程三維動態演示系統
利用GIS強大的空間信息處理能力來表現混凝土壩的復雜施工過程具有極大優越性。GIS特有的空間數據組織形式能夠充分反映混凝土壩施工系統復雜的空間關系和施工過程。在混凝土壩施工全過程三維動態演示系統中，GIS的可視化過程，即實現模擬數據到圖像的變換，分為三個子過程：
(1)數據操縱。數據操縱主要完成數據的過濾，是原始數據的加細或增強，并轉化為適合后續可視化操作的表示形式。
(2)可視化映射。可視化映射將數據過濾導出的數據轉換為抽象可視化對象(AVO)，體現為各種可視化技術。GIS的可視化過程是基于信息處理的，模型以信息鏈的形式表示，并存放在數據庫中。
(3)繪制。繪制將AVO轉換為可顯示的圖像。可以利用GIS強大的動畫及圖形圖像處理技術實現模擬數據、仿真過程的可視化表達。
通過建立坐標系，把現實世界的事物在計算機中對應位置重現出來，及建立實體的數字模型，并按照一定方式將實體與其屬性一一對應，從而反映實體的靜態空間特征。混凝土壩施工系統的三維可視化仿真數學模型的建立分為兩個步驟。首先建立數字地形模型。數字地形是整個施工系統布置和活動的場所，是三維圖像展示的重要“背景”。通過人工輸入或掃描儀、數字化儀等將地形原始數據(等高線)輸入到系統，經過數據過濾后轉化為三維矢量數據，進一步生成三維地表面模型DTM。利用內插手段，可以生成更高精度的DTM。DTM在經紋理、光照等圖先渲染操作，即生成逼真的壩區數字地形模型，然后建立混凝土壩施工系統中建筑物的三維實體模型。GIS中提供了point，line，polygon三種最基本的形(shape)，利用它們可以反映任意復雜的對象。GIS的3D模塊提供了實現三維圖形的拓撲運算、繪制、渲染、紋理和顯示的功能。與地形模型不同的是，實體模型尚需反映其屬性信息。實體與屬性的一一對應可以利用GIS的空間數據組織結構來實現。另外為了體現施工的動態過程，在反映實體的數據結構中還應包括時間特征，以便在三維演示中根據時間順序調用不同的實體單元組成施工面貌。把工程施工任意時刻的整體面貌儲存在圖形庫中，并與其一一對應的屬性數據建立聯系，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體數據及相應的屬性信息，不斷更新繪圖變量和屬性變量賦值，并不斷刷新屏幕顯示。這樣高速地顯示一系列靜止圖像，當圖像快速連續時，由于視覺的暫留，從而實現了整個混凝土壩施工過程的三維面貌及相應信息的動態顯示。同時利用過程信息，生成三維動畫，如圖2。
4.GIS應用于水利水電工程施工總布置可視化動態演示系統
以GIS軟件為平臺，建立數字化地形，施工場地布置系統中各系統部件的三維數字化模型。系統部件的數據信息與其他相關信息，通過映射關系聯系形成基礎數據庫，成為系統的底層支持。這樣就實現了各系統部件表層的獨立性和深層的耦合性。根據不同工程的施工期長短，選擇恰當的基本時間步長，再輔以典型時刻面貌，可以使施工生產管理者對工程進展情況有一個全面直觀的了解。GIS中信息的可視化組織表現在對系統數據庫的操作及管理上。由于GIS特有的混合數據庫設計結構，把數據貯存形式分為兩個部分：一是圖形數據庫，它主要是存放各種專題圖及組成它們的所有圖素。根據需要，可將不同性質的圖素放在不同的圖層上，以便今后查詢或進行圖層疊加分析。二是圖素的屬性數據庫，它主要用來存放描述圖素的屬性數據�？臻g數據和屬性數據通過內部代碼和用戶標識碼作為公共數據項連接起來，使得描述圖素的屬性數據與其圖素建立一一對應的關系。
該系統實現的總體功能概括如下：
(1) 顯示樞紐施工總布置三維全景。
(2) 演示樞紐施工全過程三維動態形象，直觀反映各組成部分空間上和時間上的相互關系。
(3) 基于三維樞紐布置模型上實現樞紐布置的各種信息可視化查詢，包括建筑物設計參數、設計圖紙、基礎數據、附屬物信息、工程施工進度等。
(4) 實現樞紐施工全過程總體施工強度的實時統計及統計結果動態的柱狀圖顯示，包括混凝土澆筑強度、施工機械設備生產率、砂石料等原材料需求量及人力需求量等信息的統計顯示。
(5) 實現樞紐工程主要建筑物施工全過程動態演示，包括地下洞室群施工全過程仿真及演示、大壩混凝土澆筑全過程仿真及演示、施工場內交通運輸系統仿真與演示等。
二、討論與展望
GIS本身在不斷發展，它在水利水電工程建設中的應用亦需不斷發展。應用的發展不僅要與GIS本身的發展相結合，還要與水利水電工程專業相結合。在水利水電工程未來的建設中，GIS與其他技術的結合將更加緊密，應用更加廣泛。
1.三維建模
GIS中三維幾何造型技術已很成熟，對于三維地質模型的建立、圖形顯示目前均有較多研究。但水利水電工程中三維數字地形模型的建立大多只是停留在面模型這一層面上。對諸如壩區地形模型等的地質模型的構造，除層狀地層外仍有一定難度。常用模型方法有兩種：表面模型和實體模型。兩種模型對復雜地質體非均勻性的描述均感不足。GIS用于水利水電工程中地質建模是今后應用研究的主要內容之一。但影響GIS數據質量的因素繁多，存在許多不確定性，把握適度質量有一定難度。若進入數據庫的數據質量過高，則造成浪費;反之，質量偏低，則達不到要求。
2.4D GIS
三維GIS目前研究重點集中在三維數據結構的設計、優化與實現技術的運用，三維系統的功能和模塊設計等方面。但是，地理信息系統所描述的地理對象往往具有時間屬性，即時態。隨著時間的推移、地理對象的特征會發生變化，而目前大多數地理信息系統都不能很好地支持地理對象和組合事件維的處理。實際上許多用戶要求都是基于時間特征的，如洪水的最高水位變化等。對這樣的應用背景，僅采取作為屬性數據庫中的一個屬性不能很好地解決問題。故，如何設計并運用4DGIS來描述、處理對象的時態特征也是個重要研究領域。
3.WebGIS
水利水電工程中地理信息和數據的交流范圍要求越來越廣泛。隨著Internet的發展，利用Internet技術在Web上發布空間數據供用戶瀏覽、使用是GIS發展的必然趨勢。網絡GIS(WebGIS)，以網絡瀏覽器為應用工作平臺，使得從WWW的任一個節點，用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據，制作專題圖，并進行各種空間檢索和空間分析，且能在多個客戶端實現原來在本機上才能實現的功能。由于水利工程中地理信息和大量的空間數據都是以文字、數字、圖形和影像方式表示的，將它們數字化，便可方便、快速和及時地將地理信息傳遞到需要的地方，發揮GIS在整個水利水電工程中的應用價值。數據的保密性需加以控制。
4.ComGIS
水利水電工程布置方案的可視化的要求已不局限在單純的表現上。對于布置方案交互式修改，組件式GIS(ComGIS)也是重要的應用發展趨勢之一。
三、結 語
GIS強大的空間分析功能和圖形顯示功能為工程設計和研究成果的可視化表達提供了有力的現代化手段。但是，GIS應用到水利水電工程建設中還有許多不盡如人意的地方，如計算功能相對薄弱等，可通過與不同技術之間的融合來克服。隨著GIS應用的深入研究，單一的GIS應用系統所存在的缺陷和不足將被逐步解決和弱化。融合各種技術手段成為GIS應用的明朗趨勢，不管是與仿真技術結合，抑或是在3S、4S的集成概念中，所體現的都是一種多個系統、多種技術集成的思想，這同時也將促進GIS的更深入應用。隨著大型水利水電工程信息管理的實時、快速化要求，基于網絡傳輸的地理信息系統應用成為將來GIS與工程結合應用研究的方向。
總之，應將GIS與其他可以結合的技術集成，充分發揮各自優勢，取長補短，綜合地為水利水電工程建設服務。
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